Природні ресурси та їх раціональне використання.
Природні ресурси і їх класифікація.
Природні ресурси - це ті засоби існування людей, які не створені їхньою працею, але знаходяться в природі.
Існує кілька класифікацій природних ресурсів. Одна з них - за призначенням.
За призначенням ресурси поділяються на чотири групи:
Найбільш цікава класифікація ресурсів по вичерпності. За вичерпності ресурси діляться на вичерпні і невичерпні.
До невичерпних ресурсів належать три групи ресурсів:
Космічні ресурси - це сонячне випромінювання, енергія припливів і відливів і т.д.
Кліматичні ресурси - це атмосферне повітря, енергія вітру, атмосферні опади і т.д.
Водні ресурси - це всі запаси води на Землі.
Вичерпні ресурси діляться на невідновних, щодо відновлювані, і відновлювані.
Невідновних ресурси - це ресурси, швидкість витрачання яких на багато порядків більше швидкості відновлення (наприклад, корисні копалини).
Щодо відновлювані ресурси - це ресурси, швидкість витрачання яких на один-два порядки вище швидкості відновлення.
Тут виділяється два типи ресурсів - це грунту і лісові ресурси.
Відновлювані ресурси - це ресурси, швидкість відновлення яких близька до швидкості витрачання (наприклад, тваринний світ, більшість рослинності, деякі мінеральні ресурси).
Енергетичні ресурси діляться на відновлювані і невідновних.
До невідновних відносяться вугілля, нафта, газ, торф, ядерне паливо, легкі елементи, які можуть бути використані в термоядерному синтезі: водень, гелій, літій, дейтерій.
До відновлюваних енергетичних ресурсів належать енергія прямих сонячних променів, енергія фотосинтезу, м'язова енергія, гідроенергія, вітрова енергія, геотермальна енергія, енергія припливів і відливів, енергія хвиль, енергія процесів випадання опадів і їх випаровування. Основним напрямком енергетики повинна бути заміна невідновних ресурсів на відновлювані, однак, в даний час, найбільше енергії (60%) виробляється на теплових електростанціях, причому, велика частина теплових електростанцій працює на найбільш екологічно небезпечному паливі - вугіллі.
Другими за рівнем виробництва енергії йдуть гідроелектростанції (трохи менше 20% виробленої енергії). Частка гідроенергетики в загальному виробництві падає, хоча в даний час це найбільш дешева енергія.
На третьому місці з виробництва енергії йдуть атомні електростанції (більше 15% всієї енергії). Частка атомної енергетики в даний час росте, хоча значно повільніше, ніж 15-20 років тому.
Переваги атомних електростанцій:
· Дуже висока енергоємність палива
· Можливість будівництва поблизу споживача енергії
· Недоліки атомних електростанцій:
· Необхідність утилізації чи захоронення відпрацьованого ядерного палива
· Екологічні наслідки аварій на атомних електростанціях непоправні
· Термін служби атомних реакторів складає 25-40 років, після чого їх також треба зупиняти і утилізувати
Загальні інженерні принципи природокористування.
Системний підхід до проблем природокористування і навколишнього середовища.
Природа, як об'єкт діяльності людини, являє собою надзвичайно складну систему. У загальному випадку, під системою розуміється безліч елементів, що знаходяться у взаємозв'язку один з одним в сукупності утворюють певну цілісність, єдність. Будь-яка система пов'язана з навколишнім середовищем, будь-яку систему можна представити як елемент системи вищого рівня або як сукупність систем більш низького рівня.
Біологічна система - це виконує деяку функцію структура, яка взаємодіє з навколишнім середовищем та іншими системами як єдине ціле, складається з підсистем нижчого рівня, безперервно приспособительно перебудовує свою діяльність по каналах зворотного зв'язку і проявляє властивість самоорганізації.
Системний підхід передбачає комплексну оцінку впливу промислово-технічної діяльності суспільства на природу з обов'язковим прогнозуванням реакції природи на цей вплив.
Принцип оптимізації біосфери.
При оптимізації біосфери головним питанням є виявлення комплексних критеріїв оптимізації. У загальному випадку, оптимізація як функція управління повинна прагнути до того, щоб науково-технічне розвиток не вивело біосферу за рамки екологічної ніші людини.
Оптимізація природокористування - це прийняття найбільш доцільних рішень при використанні ресурсів і природних систем.
Темпи зростання виробництва повинні бути вище, ніж темпи зростання видобутку сировини.
Гармонізація відносин природи і техніки.
Ця проблема вирішується шляхом створення так званих геотехнічних або природно-технічних систем.
Геотехнічна система - це сукупність технічних пристроїв і взаємодіючих з ними елементів природного середовища, які в ході спільного функціонування забезпечують з одного боку - високі продуктивні та інші цільові показники, а з іншого боку підтримують в зоні свого впливу сприятливу екологічну обстановку.
Схема взаємодії виробництва і природного середовища в межах геотехнічної системи:
І те й інше вплив є розгойдувати дестабілізуючим, тобто зворотний зв'язок позитивна. Для компенсації в геотехнічну систему вводять блок управління. Блок управління по каналах моніторингу збирає інформацію про виробництво і природному середовищу, а потім по каналах негативного зворотного зв'язку здійснює стабілізуючий вплив.
Екологізація виробництва - це уподібнення виробничих процесів, тобто ресурсних циклів, природним замкнутим кругообігом речовин. Це досягається за рахунок впровадження маловідходних енергозберігаючих та ресурсозберігаючих виробництв.
1. Створення ресурсозберігаючих і енергозберігаючих виробництв.
2. Існують наступні шляхи створення таких виробництв:
3. Комплексна переробка сировини
4. Розробка нових ефективних технологічних процесів
5. Застосування нетрадиційних видів енергії
6. Створення безстічних і замкнутих систем водопостачання
7. Схема оборотного водопостачання підприємства:
Барботаж - продування газу крізь шар рідини.
Основним критерієм вибору того чи іншого апарату є ступінь очищення. де і відповідно концентрація пилу до і після роботи апарату.
Ступінь очищення залежить від властивостей пилу і параметрів газопилового потоку. В процесі пиловловлення важливі наступні фізико-хімічні характеристики пилу:
Фракційний склад, тобто присутність пилу різних розмірів
Електрична зарядженість пилових частинок
Адгезійні властивості, тобто здатність пилу до злипання
Чим більше злипання пилу, тим більша ймовірність її осадження в газоходах і непризначених для цього елементів пиловловлювачів. Адгезионное властивість тим більше, чим більше вологість пилу і менше її розмір.
На вибір апарату впливають наступні характеристики і параметри газопилового потоку:
Об'ємний витрата або швидкість газопилового потоку
Вологість газопилової суміші
Температура газопилової суміші
Наявність горючих і вибухонебезпечних домішок
Ресурсний цикл як антропогенний кругообіг речовин.
Ресурсний цикл - це сукупність перетворень і просторових переміщень в речовини або групи речовин на всіх етапах використання їх людиною.
Орієнтовна тема ресурсного циклу:
На відміну від природно замкнутих кругообігів речовин, на кожному етапі ресурсного циклу існують втрати.
Забруднення навколишнього середовища - це природні ресурси, які опинилися не на своєму місці.
Основні напрямки охорони навколишнього природного середовища від промислових викидів.
Очищення газів від пилу.
Багато сучасні технологічні процеси пов'язані з дробленням або подрібненням твердих речовин або з перевезенням сипучих матеріалів. У всіх цих випадках утворюються пилові частинки. У зв'язку з тим, що сумарна площа поверхні пилових частинок істотно більше, ніж вихідна площа поверхні вихідного матеріалу, пилові частинки надзвичайно хімічно і біологічно активні і, отже, надзвичайно шкідливі. Пилові частинки мають різну форму, проте, їх розмір прийнято характеризувати параметром, званим «седиментаційних діаметр». Це діаметр частинки, що має форму кулі, швидкість осадження і щільність якої дорівнює швидкості осадження і щільності вихідної частинки.
Робота пилоуловлюючих апаратів заснована на наступних механізмах осадження частинок:
Гравітаційне осадження під дією сили тяжіння
У цих апаратах пил осідає під дією сили тяжіння. Найпростішим гравітаційним апаратом є пилеосадітельная камера.
Двосекційна горизонтальна пилеосадітельная камера:
Гравітаційні апарати мають наступні переваги:
Малі експлуатаційні витрати
Мала швидкість руху газу через апарат і, отже малий необхідний перепад тиску між входом і виходом апарату і малі енергетичні витрати
Можливість уловлювання твердих абразивних частинок
Недоліки гравітаційних апаратів:
Мала ефективність очищення
Більш складним гравітаційним апаратом є камера Говарда:
Чистий абсорбція найчастіше проводиться рідкими поглиначами і може здійснюватися противоточно, коли газ і рідина рухаються в різних напрямках, і прямоточно, коли газ і рідина рухаються в одному напрямку.
Рушійною силою процесу є різниця концентрацій забруднюючої речовини в газі і рідини.
Швидкість перенесення поглинається газу визначається:
Вільною поверхнею абсорбенту
Рушійною силою процесу
Коефіцієнтом «маса перенесення»
Площа абсорбуючій поверхні залежить:
Від кількості зрошує рідини на одиницю об'єму газу
Від розмірів крапель
Від конструкції абсорбера
Коефіцієнт «маса перенесення» залежить:
Від швидкості дифузії газових молекул
Товщини перехідного шару на поверхні
Різниці концентрацій забруднюючої речовини в газі і рідини
Від температури і тиску в системі
Хемосорбція відрізняється від чистого абсорбції тим, що після поглинання шкідлива речовина вступає в хімічну реакцію з будь-яким реагентом і переводиться в нешкідливе стан.
Хемосорбція застосовується для очищення газів від:
Біохімічні методи засновані на здатності мікроорганізмів руйнувати і переробляти різні сполуки. Ці методи найбільше застосовні для очищення газів постійного складу. При зміні складу газу мікроорганізми не встигають пристосуватися і ефективність очищення падає. Висока ефективність газоочистки досягається за умови, що швидкість біохімічного окислення шкідливих речовин перевищує швидкість їх надходження з газом.
Розрізняють дві групи апаратів біохімічного очищення:
Біоскруббери - це абсорбція апарати, в яких газ зрошується водним розчином активного мулу і шкідливі речовини руйнуються мікроорганізмами присутніми в активному мулі. У біофільтрах очищається газ пропускається через фільтруючий шар, який зрошується водою для створення необхідної вологості. Фільтруючим шаром служать природні або штучні матеріали, на які наноситься плівка активного мулу.
Адсорбція - це поглинання газів на поверхні твердого або рідкого поглинача, найчастіше використовуються тверді пористі речовини.
Площа поверхні адсорбенту може бути дуже велика і для деяких речовин становить кілька квадратних метрів на грам речовини. Поглинаються речовини утримуються в порах або хімічними силами (це хімічна адсорбція) або силами Ван-дер-Ваальса - це фізична адсорбція.
Газ адсорбується в кілька стадій:
Перенесення молекули газу до поверхні твердого тіла
Проникнення молекули газу в пори твердого тіла
Власне адсорбція, тобто утримання молекули газу.
Лимитирующей для процесу є сама повільна з цих трьох стадій.
Рушійною силою процесу є градієнт концентрації забруднюючої речовини в газі і на поверхні твердого тіла. З ростом концентрації цієї речовини на поверхні, градієнт концентрації зменшується і переважаючим процесом стає рівноважний обмін молекулами.
Адсорбція рекомендується для газу з невисокими концентраціями забруднюючих компонентів. Поглинені речовини видаляються з суперечка продувкою інертним газом, парою або термічної десорбцією при нагріванні.
Перевагами цього методу є:
Високий ступінь очищення
а) Газа не охолоджуються
б) Немає необхідності в насосах і енергії на перекачування
Недоліками цього методу є:
Очищаються тільки сухі і незапилённие гази
Швидкість руху газу через апарат дуже мала
Засновані на здатності горючих токсичних компонентів окислюватися до менш токсичних при високій температурі.
Переваги цієї групи методів:
· Невеликі габарити установок
· Висока ефективність знешкодження
· Низька вартість очищення
Область застосування методу обмежується характером речовин, які утворюються при окисленні. Так, якщо газова суміш містить фосфор, сірку або галогени, то після окислення виходять речовини більш токсичні, ніж вихідні.
Розрізняють три схеми термічних методів:
· Пряме спалювання в полум'ї
Перша і друга схеми здійснюються при температурі 600С0-800С0, а третя схема при температурі 250С0-400С0.
Вибір схеми визначається:
· Хімічним складом забруднюючих речовин
· Концентрацією забруднюючих речовин
· Початковою температурою викиду
· Об'ємної витрати газової суміші
· Гранично допустимими викидами забруднюючих речовин.
I-а схема: пряме спалювання в полум'я.
Проводиться в тих випадках, коли викидаються гази досить нагріті і приносять з собою не менше 50% загальної теплоти згорання. Однією з проблем цього методу є те, що температура полум'я в факелі може досягати 1300С0. При наявності надлишку кисню і достатній часу при такій температурі починають утворюватися оксиди азоту, які надзвичайно токсичні. Прикладом прямого спалювання є спалювання хвостових газів на нафтопереробних заводах. Ці гази спалюються в відкритому факелі. Існує ряд конструктивних рішень, які дозволяють здійснювати пряме спалювання в замкнутій камері. Так, існують камерні допалювачи з відкритим полум'ям для нейтралізації відходів лакофарбового виробництва.
II-а схема: термічне окислення.
Застосовується, коли викидаються гази мають досить високу температуру, проте концентрація кисню або горючих компонентів низька для підтримки відкритого полум'я. Ця схема проводиться, в основному, в закритих апаратах з хорошим перемішуванням газового потоку. При такій схемі відсутнє полум'я, і, отже, можна знизити витрати на виготовлення апарату, а також відсутні виділення оксидів азоту.
III-я схема: каталітичне окислення.
Використовується для перетворення токсичних компонентів в менш токсичні за рахунок введення в систему додаткових речовин каталізаторів. Каталізатор, взаємодіючи з одним з компонентів газової суміші, утворює проміжне з'єднання, яке потім розпадається з утворенням менш токсичної речовини і каталізатора. Швидкість каталітичного окислення вище, ніж термічного, що дозволяє скоротити розміри апарату. Істотний вплив на швидкість і ефективність каталітичного процесу надає температура газової суміші. Для кожної каталітичної реакції існують мінімальні температури початку реакції, нижче якої каталізатор не проявляє активність. З підвищенням температури в заданому інтервалі ефективність каталітичного процесу зростає. Для здійснення процесу потрібна незначна кількість каталізатора, розташованого так, щоб забезпечити максимальну поверхню контакту з газовим потоком. У більшості випадків каталізаторами є метали: срібло, платина, паладій або оксиди металів: оксид міді, оксид ванадію. Каталізатори зазвичай наносять на вогнетривкі матеріали. Каталітичним процесам заважає пил і каталітичні отрути. Такі методи, наприклад, використовуються в каталітичних коробках для очищення вихлопних газів автомобіля.